摘要：椰殼活性炭和煤基活性炭是應(yīng)用較為廣泛的兩種活性炭材料，通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行了表面形貌的表征。結(jié)果證明，椰殼活性炭表面存在較為均勻的孔結(jié)構(gòu)，且大孔的孔壁上布滿更小的孔，具有缺陷的位置孔結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)；而煤基活性炭表面的孔結(jié)構(gòu)較少，二次堆積孔比較多，二次孔的孔壁也可以看到更小的孔存在。通過(guò)對(duì)于甲醛和甲苯的氣體吸附性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)椰殼活性炭和煤基活性炭的吸附性能大體相當(dāng)，要好于活性氧化鋁和麥飯石等其他多孔材料。
活性炭是一種應(yīng)用較為廣泛的多孔吸附材料，廣泛地應(yīng)用在水污染處理、變壓吸附、黃金冶煉、白酒和糖類等多種行業(yè)，具有優(yōu)異的吸附性能和低廉的成本。近年來(lái)，科學(xué)家還開(kāi)發(fā)了活性炭很多新用途，如：血液凈化、藥物緩釋和煙氣脫硫脫硝等�；钚蕴靠梢詮V泛地應(yīng)用在多種行業(yè)，主要是因?yàn)槠渚哂邪l(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附能力，所以，吸附劑表面的孔結(jié)構(gòu)是決定該種材料吸附性能的關(guān)鍵因素。
活性炭材料可以有多種原料來(lái)源，如：煤、果殼、木屑、獸骨和煤焦油等，其中應(yīng)用較廣泛的是煤基活性炭和椰殼活性炭。在兩者中，煤基活性炭的成本較低，用量更大，而椰殼活性炭由于重金屬等污染物的含量較低，所以可以應(yīng)用在食品、藥物、生物和飲用水等行業(yè)。
雖然活性炭的應(yīng)用非常廣泛，但目前對(duì)于不同原料來(lái)源活性炭的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征并且將其與吸附性能直接對(duì)比的研究還比較缺乏。本研究采用掃描電子顯微鏡對(duì)煤基活性炭和椰殼活性炭的表面形貌進(jìn)行了表征，并將二者的氣體吸附性能進(jìn)行了對(duì)比。
通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)椰殼炭表面的孔結(jié)構(gòu)更加豐富和均勻，孔結(jié)構(gòu)的直徑約為5-10μm。通過(guò)對(duì)比兩種不同原料活性炭和其他多孔材料對(duì)于甲醛和甲苯的吸附性能，發(fā)現(xiàn)兩種不同來(lái)源的活性炭吸附能力大致相當(dāng)，要好于活性氧化鋁和麥飯石等其他多孔材料。
1材料與方法
1.1材料與設(shè)備
煤基活性炭來(lái)自于山西新華化工有限公司，椰殼活性炭來(lái)自于唐山天合活性炭有限公司，均未經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理。掃描電子顯微鏡型號(hào)為Hitachi s-4800。
1.2測(cè)試方法
活性炭及其他多孔材料的測(cè)試過(guò)程如下：將活性炭或其他多孔材料裝載在過(guò)濾器中，然后將過(guò)濾器安裝在空氣凈化機(jī)上，將空氣凈化機(jī)置于3m3的玻璃密封艙內(nèi)，將凈化機(jī)連接在電源上；然后，在玻璃艙內(nèi)發(fā)生定量的污染物，開(kāi)啟艙內(nèi)的均風(fēng)裝置，待密封艙內(nèi)的污染物分布均勻后，開(kāi)啟空氣凈化機(jī)，用甲醛和甲苯氣體分析儀每隔1min記錄污染物的濃度。
2結(jié)果和分析
2.1電子顯微鏡掃描結(jié)果
2.1.1椰殼活性炭的表面形貌
圖1為椰殼活性炭的電子顯微鏡掃描照片。
活性炭的制備原理是使用水蒸氣或者其他活化物質(zhì)將炭化料腐蝕出較多的孔結(jié)構(gòu)。從圖1中可以看出，在椰殼活性炭的表面，有很多比較均勻的小孔存在。由于椰子殼在炭化后要進(jìn)行破碎，所以椰殼活性炭會(huì)有一些斷面。圖1-b顯示在斷面的各個(gè)方向上都可見(jiàn)活化過(guò)程中出現(xiàn)的小孔，而且在有缺陷存在的表面（圖1-c），同樣可見(jiàn)較多小孔存在，甚至在缺陷與表面交接的位置孔結(jié)構(gòu)更為豐富。在部分表面可以看出部分植物纖維未完全炭化的痕跡（圖1-d），而在相應(yīng)的位置，雖然存在一定數(shù)量的孔結(jié)構(gòu)，但其數(shù)量比正常表面略少。
2.1.2煤基活性炭的表面形貌
圖2為煤基活性炭的表面形貌。
對(duì)比椰殼活性炭的電子顯微鏡照片可以看出，煤基炭的表面難以觀察到均勻的孔結(jié)構(gòu)，只有不規(guī)則的二次堆積孔出現(xiàn)，其表面也不如椰殼炭的表面均勻，有較多的大小不一的較小顆粒附著，這也是煤基炭比椰殼炭更容易粉化的微觀證據(jù)。經(jīng)過(guò)放大2萬(wàn)倍的照片觀察，能夠觀測(cè)到煤基炭的表面存在一些小孔。如果觀察二次堆積孔，可以看見(jiàn)二次孔的孔壁內(nèi)有很多更小的孔存在，說(shuō)明煤基活性炭也具有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，但煤基炭表面的孔結(jié)構(gòu)比椰殼活性炭更加難以觀測(cè)。
圖3為椰殼炭的電子顯微鏡掃描照片，可以更清楚地觀察到椰殼炭的孔結(jié)構(gòu)。
從圖3可以看出，椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)，孔的大小也比較均勻。在大孔的孔壁上，可以清楚地觀測(cè)到有較小的孔存在（圖3-a），小孔的大小也比較均勻，而且在孔結(jié)構(gòu)比較多的部分位置，孔壁甚至以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)（圖3-b）。椰殼活性炭表面比較均勻的孔直徑約為5-10um（圖3-c）。在部分活化過(guò)度的位置（圖3-d），可以清楚地看出即使椰殼活性炭的表面看起來(lái)的孔較少，但是內(nèi)部仍然具有非常發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)。
圖4為煤基炭的電子顯微鏡掃描照片。
對(duì)比椰殼活性炭，煤基活性炭的孔結(jié)構(gòu)較少，也難以觀測(cè)到比較均勻的孔結(jié)構(gòu)，其表面存在的孔大小不一，二次堆積孔中也可以觀測(cè)到更小的孔，小孔的孔徑大小分布也不均勻。
2.2氣體吸附性能
2.2.1甲醛吸附性能
圖5為2種不同原料來(lái)源活性炭以及其他一些多孔材料對(duì)于甲醛的吸附性能比較。
數(shù)據(jù)顯示，煤基活性炭對(duì)于甲醛的吸附能力較強(qiáng)。椰殼活性炭對(duì)于甲醛的吸附能力與活性氧化鋁類似，比椰殼活性炭稍差。麥飯石對(duì)于甲醛的吸附性能很差。
圖6為2種不同來(lái)源活性碳及其他多孔材料對(duì)于甲苯的吸附性能比較。
試驗(yàn)表明，無(wú)論是煤基活性炭還是椰殼活性炭，對(duì)于甲苯的吸附能力都要明顯強(qiáng)于其他多孔材料。2種不同來(lái)源的活性炭對(duì)于甲苯的吸附能力接近，并無(wú)明顯區(qū)別。相對(duì)于其他幾種多孔材料，活性炭具有更高的比表面積，更發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，所以吸附性能更好。比較圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，活性炭對(duì)于甲醛的吸附能力較差，說(shuō)明活性炭對(duì)于小分子和低沸點(diǎn)的物質(zhì)吸附量較小。
3結(jié)論
椰殼活性炭的表面存在較多均勻的孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為5-10μm。有缺陷的位置活化過(guò)程更為完全，孔結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)。部分未完全炭化的位置活化不完全，孔結(jié)構(gòu)較少。
煤基活性炭表面孔結(jié)構(gòu)不均勻，且二次堆積孔較多。在二次堆積孔的孔壁，可以觀察到更小的孔插入到孔壁上。
活性炭對(duì)于氣體的吸附性能要強(qiáng)于活性氧化鋁和麥飯石，將椰殼炭和煤基炭?jī)煞N活性炭材料作比較，其吸附性能未見(jiàn)明顯差異。